BOLLETTINO UNIONE MATEMATICA ITALIANA

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1 BOLLETTINO UNIONE MATEMATICA ITALIANA Vittoria Zambelli Gli elementi di periodo infinito di un gruppo e le serie centrali. Bollettino dell Unione Matematica Italiana, Serie 3, Vol. 21 (1966), n.1, p Zanichelli < L utilizzo e la stampa di questo documento digitale è consentito liberamente per motivi di ricerca e studio. Non è consentito l utilizzo dello stesso per motivi commerciali. Tutte le copie di questo documento devono riportare questo avvertimento. Articolo digitalizzato nel quadro del programma bdim (Biblioteca Digitale Italiana di Matematica) SIMAI & UMI

2 Bollettino dell Unione Matematica Italiana, Zanichelli, 1966.

3 Gli elementi di periodo infinito di un gruppo e le série centrali VITTORTA ZAMBELLI (Milano) (*) Sunto. - Sia G un gruppo e H il sottogruppo gênerato dagli elementi di G di periodo infinito. Si stutliano i legami tra il sottogruppo H e i gruppi délie série centrait, deducendone in particolare délie condi&ioni, affinchè si abbia H= G. Siimmary. - Let G be a group and H the subgroup of G, generated by the éléments of infinité order. Hère we study connections between the subgroup H and the groups of the central séries, and we get conditions, in order to hâve H= G. Premesse Sia G un gruppo, che supporremo sempre dotato di qualche elemento di periodo infinito; sia H il sottogruppo di G, generato dagli elementi di periodo infinito. Escluderemo sempre nel seguito il caso banale, in oui tutti gli elementi di Gr, diversi dall'unità, h an no periodo infinito; ovviamente in taie caso si ha H = Gf. Osserviamo tuttavia che anche in casi diversi da questo banale il sottogruppo H puô coincidere con G, mentre altrove puô essere contenuto propriamente in G (è facile trovare esempi in proposito). A questa nota hanno dato spunto problemi analoghi, considerati in un précédente lavoro (*), in cui si era preso in esame il sottogruppo (di HUGHES), generato dagli elementi di periodo diverso da un numéro primo p, in relazione ai gruppi délia série centrale ascendente. I risultati sono stati facilmente estesi al caso degli elementi a periodo infinito, deducendo in particolare che, se un gruppo nilpotente possiede elementi di periodo infinito, viene da essi generato; si stabilisée quindi una condizione necessaria e sufficiente, affinchè un gruppo sia nilpotente di lunghezza r. (*) Lavoro eseguito nelfambito del Gruppo di Ricerca N. 30 del C.N.R per Tanno ( 1 ) Cf. [4].

4 20 VITTORIA ZAMBELLI Si sono fatte inoltre alcune osservazioni relative ai legami tra il sottogruppo H e alcuni tipi notevoli di successioni di sottogruppi di G, tra le quali rientrano corne casi particolari la série derivata e la série centrale discendente Indichiamo alcune semplici proprietà a proposito del centro, analoghe a quelle stabilité nella nota précédente relativamente al sottogruppo di HUGHES. TEOREMA 1. - Se G contiene un elemento normale di periodo infinito, allora si ha H= G. Infatti se esistesse un elemento g di G, non appartenente ad fl", esso avrebbe un periodo finito m; inoltre, detto h un elemento normale di periodo infinito, l'elemento gh non apparterebbe ad H ed avrebbe pertanto periodo finito n. Detto fc.un multiplo comune di m e n, si avrebbe (gh) k = g k h h = h h = u, contro Pipotesi che h abbia periodo infinito. Si deducono immediatamente i seguenti corollari. COROLLARIO 2. - Se H è sottogruppo proprio di G, tutti gli elementi del centro hanno periodo finito. COROLLARIO 3. - Condizione necessaria e sufficiente affinchè un gruppo G (avente elementi di periodo infinito) sia abeliano, è che il sottogruppo H coincida con il centro G di G. Quest'ultinio corollario mostra tra l'altro che un gruppo abeliano, dotato di elementi di periodo infinito, risulta da essi generato. TEOREMA 4. - Il sottogruppo H contiene il centro C di G. Infatti se esistesse un elemento c di 0, non appartenente ad H, esso avrebbe un periodo finito m. Detto h un elemento di H, avente periodo infinito, l'elemento ch non apparterrebbe ad H ed avrebbe pertanto periodo finito n. Detto Je un multiplo comune di m e n si avrebbe l'assurdo (ch) k = c k h k = h k = u. Il sottogruppo H e la série centrale ascendente. Gruppi nilpotenti Nel paragrafo précédente si è dimostrato che in un gruppo G, il quale soddisfi sempre airipotesi di ammettere elementi di periodo infinito, il sottogruppo H contiene il centro C di G. In ques-

5 GLI ELEMENTI DI PERIODO INFINITO DI UN GRUPPO, ECG. 21 to paragrafo estendiamo taie risultato, dimostrando che H contiene un qualsiasi gruppo délia série centrale ascendente. LBMMA 5. - Se uno dei gruppi délia série centrale ascendente contiene un elemento di periodo infinito, allora si ha H = G. Supponiamo che i gruppi C,, C s,..., C t délia série centrale ascendente contengano solo elementi di periodo finito e sia C t +i il primo gruppo délia série, che contiene un elemento di periodo infinito. Consideriamo l'omoformismo naturale o> di G sul gruppo ri quoziente ^. Poichè per ipotesi tutti gli elementi di C { hanno periodo finito, gli elementi di G aventi periodo infinito sono tutte e sole le controimmagini in «degli elementi di periodo infinito rt di 77. Ne segue che, se C t +, contiene almeno un elemento avente G periodo infinito, anche il centro di «- conterrà almeno un éléments to di periodo iufinito. Detto allora #(77) î! sottogruppo di -^generato dagli elementi di periodo infinito, per il Teorema 1 si avrà H (c) = c t ' essendo, per quanto detto sopra, H il sottogruppo controimmagine di i3j7r] nell'omomorfismo w, si avrà di conseguenza H= G, c.d.d. TEOREMA 6. - Il sottogruppo H contiene tutti i gruppi délia série centrale ascendente. Se uno dei centri contiene un elemento di periodo infinito, per il Lemma 5 si ha H = G ed è quindi vero Tasserto. Supponiamo pertanto che ogni gruppo délia série centrale ascendente contenga solo elementi di periodo finito. Diamo una dimostrazione per induzione. Per il teorema 4 il sottogruppo H contiene il centro C x di G. Ammettiamo che H contenga il centro i-esimo C, e dimostriamo che contiene il centro (i + l)-esimo C,+,. Consideriamo l'omomorfismo naturale OJ di 6r sul gruppo quoziente 77. Osserviamo che il gruppo quoziente -~ contiene certain ^i mente elementi di periodo infinito, poichè per ipotesi gli elementi

6 22 VITTORIA ZAMBELLI ( ri \ fi ^-) il sottogruppo di «- generato dagli elementi di periodo infinito, il sottogruppo Hrisulta ( ri. «-) nelfomomorfismo o). Poichè per il Teo- G rema 4, Hl ^-) contiene il centro di «-, il sottogruppo H contiene il centro 0,+,; c.d.d. TEOREMA 7. - Condizione necessaria e sufficiente affinchè un gruppo G sia nilpotente di lunghezza r, è che sia H= C r. Se G è nilpotente, uno dei centri successivi dovrà necessaria, mente contenere elementi di periodo infinito. Per il Le m m a 5, si ha allora H= G = C r. Viceversa,. se H = C r, allora il centro r-esimo C r contiene elementi di periodo infinito e quindi, sempre per il Lemma 5, si ha G = H=C r. Questo teorema estende in particolare ai gruppi nilpotenti una proprietà già vista (cf. n. 2) per i gruppi abeliani: un gruppo nilpotente, dotato di elementi di periodo infinito, risulta da essi generato In questo ultimo paragrafo prendiamo in esame il sottogruppo H in relazione ad un tipo particolare di successione di sottogruppi di G. TEOREMA 8. - Sia. G => iit, => JK, =>... => K t z>... una successione di sottogruppi di G, ognuno normale net précédente C JC JC e taie che i fattoriali -^-. T? 1,..., l,.. siano tutti abeliani. Se A, A g A l + l il sottogruppo K { possiede solo elementi di periodo finito, allora si ha H^Ki } (e ovviamente H ^_ K r con r ^> i). Supponiamo dapprima che il sottogruppo i,, possieda qualche elemento di periodo infinito. Consideriamo l'omomorfismo naturale w di K x 1 sul gruppo fattoriale ^1 ; il gruppo ^Z~ l contiene certamente qualche elemento di periodo infinito. Essendo esso un gruppo abeliano, il sottogruppo generato dai suoi elementi di periodo infinito coincide con Pintero gruppo e di conseguenza, per l'omomorfismo w, il sottogruppo H(K X Ù, generato dagli elementi di periodo infinito di K t },

7 GLI ELEMENTI DI PERIODO INFINITO DI UN GRUPPO, ECC 23 coincide con K i l : Ma si ha H(K l - l ) = K i - l. e quindi JS^-i S H. Se gli elementi di J?,_ L avessero tutti periodo finito, esisterebbe certamente un sottogruppo K r délia successione (con 0 < r < i 2, dove K Q = G), avente elementi di periodo infinito, mentre R r + X contiene solo elementi di periodo finito. Allora per la dimostrazione précédente si avrebbe Hp_K r e quindi a maggior ragione H ^Ki X ] c.d.d. Sono, ad esempio, successioni di questo tipo, quella costituita dai successivi sottogruppi derivati di un gruppo e la série centrale discendente. Si possono pertanto dedurre dal Teorema 8 i seguenti corollari. COROLLARIO 9. - Se G è un gruppo risolubile, il sottogruppo H contiene una parte propria délia série derivata. Infatti, detti G', G",... G (,... i successivi sottogruppi derivati di G, se G è risolubile si ha G^_G'^_G"^... ^ G (h) = u; pertanto esiste certamente un sottogruppo derivato G (t), che contiene solo elementi di periodo finito, mentre G ( * -1) contiene elementi di periodo infinito. Di conseguenza H^ G Çi ~ l \ donde Passerto. COROLLARTO Se fra i derivati di un gruppo ne esiste uno, ri che ha tutti gli elementi di periodo finito, allora «è risolubile. C Basta cousiderare l'omomorfismo naturale di G su -^ e osservare II che esso porta sottogruppi derivati in sottogruppi derivati. Ora, se G {1) ha solo elementi di periodo finito, H ^ G (i_1) e quindi l'immari gine del sottogruppo G <,_1) è 1' unità di ^.. COROLLARIO Se il derivato di un gruppo G è formato da elementi di periodo finito, allora H' = G.

8 24 VÏTTORIA ZAMBELLI Si ottiene cosl un'estensione di una proprietà già ricordata per i gruppi abeliani nel n. 2. COROLLARIO Se uno dei sottogruppi interderivati contiene solo elementi di periodo finito, allora H contiene una parte propria délia série centrale discendente. B1BLIOGRAFIA [1] M. HALL, The theory of groups, New York [2] G. ZAPPA, Fondamentî di teoria dei gruppi, Yol. 1; Roma 1965, [3] D. R. HUGHES, A problem in group theory, Bull. Am. Math. Soc. 3 (1957). [4] V. ZAMBELLI, Il sottogruppo di Hughes e la série centrale ascendente^ Bol. U.M.I. 19, pp Pervenuta alla Segreteria deîl'v, M. I. tl 27 gennaio 1966